【文章內(nèi)容簡介】 目前生產(chǎn)井主要通過測量井內(nèi) 持水率及流體密度來識別流體。測量混合流體持水率的儀器主要有電容式含水儀、微波含水儀、開關(guān)電導(dǎo)式含水儀以及壓差密度計(jì)等。這類測量所得的數(shù)據(jù)可以識別井內(nèi)流體的類型，從而確定油井的含油率。 電容法含水率測井是利用油氣同水的的介電特性差異測定水的含量。由于油氣等碳?xì)浠衔锱c水具有不同的介電常數(shù)。水的介電常數(shù)為 80，油氣的介電常數(shù) ~，因而具有較高的分辨率，儀器是對所處位置的流體進(jìn)行采樣，然后在儀器的取樣室內(nèi)油水靠重力分離，該室內(nèi)置一電容電極，電極與取樣室外殼構(gòu)成圓柱狀電容，通過測量圓柱狀電容器電容量的變化 就可以得到持水率，確定含油率。 微波含水率測井是利用高頻電磁波的諧振狀態(tài)來測量原油中的水分。高頻電磁波在含水原油中傳播時(shí)，其波長隨含水率的不同而不同，并引起諧振回路頻率的變化，致使改變諧振回路和晶振回路之間的諧振狀態(tài)，根據(jù)這種變化可以測定原油中的含水率。 開關(guān)電導(dǎo)法測井是以電導(dǎo)為基礎(chǔ)，由于油的電導(dǎo)趨于零，水的電導(dǎo)較大，當(dāng)油、水以各種不同的百分含量流過探頭的電極時(shí)，探頭都會(huì)有相應(yīng)的輸出電壓，這樣得出各種百分比的對應(yīng)值，從而確定油水的含油率。 壓差密度計(jì)又稱密度梯壓計(jì)，利用兩個(gè) 的壓敏元件，測量井筒內(nèi)流體 柱兩點(diǎn)間的壓力差值，而測出的壓力梯度正比于流體密度，這樣就可以測得流體的密度，確定 6 含油率。 聲波測井技術(shù)在油井測量中遇到的問題 在油田勘探開發(fā)中，測井技術(shù)是確定和評價(jià)油層的重要手段，也是解決一系列地質(zhì)問題的有效途徑， 但是 油井計(jì)量主要存在以下問題： 油井產(chǎn)液量普遍波動(dòng)較大，且沒有規(guī)律可循，低產(chǎn)油井還存在產(chǎn)液間歇現(xiàn)象，間歇時(shí)間長短不一，短時(shí)計(jì)量很難得出真實(shí)的產(chǎn)量，采用兩相計(jì)量分離器配玻璃管量油的方法已難以適應(yīng)。油井產(chǎn)量差別大、波動(dòng)大導(dǎo)致不同油井伴生氣的產(chǎn)量差別和波動(dòng)也較大，孔板配雙波紋管差壓計(jì)等測氣方法 已不能適用。由于采用高液量生產(chǎn)和油層壓裂等措施，增加了油井產(chǎn)液中的砂和雜質(zhì)，含水率高又使儀表易結(jié)垢，齒輪流量計(jì)、腰輪流量計(jì)已不適用。由于油井產(chǎn)液含水率高，有大量游離水存在，因此，人工取樣隨機(jī)性很強(qiáng)，很難取準(zhǔn)，無法得到真實(shí)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的含水率值。 在聲波測井發(fā)展到目前這種狀態(tài)，無論是研究新的測井方法，還是結(jié)合其他學(xué)科，對現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行 應(yīng)用拓展和 改進(jìn)， 都是極為艱難的?，F(xiàn)在聲波測井面臨以下難題： 如何擺脫信息量小的制約是一個(gè)關(guān)鍵的問題， 再一個(gè)就是如何在復(fù)雜的介質(zhì)條件下加大對測井問題的解決，使得地質(zhì)情況對測量的影響 降低到最小，以及如何使得采集的測井信息更加真實(shí)的反映油井的原始狀態(tài)。提高測井的效率也是需要解決的一個(gè)問題。 未來測井的發(fā)展方向 未來測井的方向是要提高測井技術(shù)，發(fā)展井間測井新技術(shù)，能夠 提高測井的縱向分辨率，并且發(fā)展綜合技術(shù)，提高測井技術(shù)綜合應(yīng)用能力，以及要提高測井綜合信息采集能力，并且提高油氣采收率測井技術(shù)，同時(shí)提高測井的深度做好剩余油的檢測。這都是未來聲波測井的發(fā)展要求及方向。 7 第 二 章 力學(xué)網(wǎng)絡(luò)的分析與計(jì)算 換能器的位移方程 薄 圓環(huán) 壓電換能器的剖面圖如圖 21所示，為了 研究我們引入 柱面 坐標(biāo) 系 對換能器的工作原理進(jìn)行分析與計(jì)算 。 圖 21 薄圓環(huán)換能器柱面坐標(biāo)系 當(dāng) 平均半徑為 br ，壁厚為 tl 沿著 半徑 方向進(jìn)行極化，設(shè)它的密度為 ? 。由于薄 圓環(huán) 壓電換能器的壁較薄，因而我們可以近似地認(rèn)為 brr? （ r 是換能器的半徑）。由于它的質(zhì)點(diǎn)位移具有軸對稱性，切向應(yīng)力為零，所以在薄圓環(huán)內(nèi)不能形成應(yīng)力波，若此換能器的外壁自由，則可得簡化方程： bTtU r2 r2 ?? ??? （ 21） zTU r ????? z22 t? （ 22） 其中 ?T 、 zT 分別是薄圓環(huán)切向和軸向的 正應(yīng)力， rU 和 zU 分別是相應(yīng)徑向和軸向的 質(zhì)點(diǎn)位移 分量。 設(shè) r,z，? 分別由數(shù)字 1,2,3代表，則與徑向極化有關(guān)的壓電方程為 [1]： 3311111 d ETSS E ?? (23) 3331313 d ETD T??? (24) 8 式中 1S 是薄圓環(huán)在 ? 方向上的伸縮應(yīng)變量， s 是換能器材料的柔順系數(shù) ， T? 和 d分別是換能器的介電常數(shù)和壓電常數(shù)， 3E 是電場的徑向分量。 換能器所受力對位移矢量的影響 薄圓環(huán)換能器所受力對質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的影響 當(dāng)薄圓環(huán)處于耦合液體中，并使它的兩端與周圍耦合液體隔離，只讓其外壁與液體相接觸，當(dāng)換能器在液體中徑向振動(dòng) 時(shí)，他會(huì)交替引起 液體的膨脹與收縮運(yùn)動(dòng)，在聲波測井儀中，聲源通常是放在耦合液體中，因而會(huì)向外輻射聲波。同時(shí)，換能器也處于自己的輻射聲波中。所以，它受聲場的反作用力，該反作用力與薄圓環(huán)換能器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，用 rF 表示，除此之外，薄圓環(huán)的振動(dòng)還會(huì)引起摩擦力阻 fF ，它與質(zhì)點(diǎn)的位移速度和液體的摩擦力阻 mR 成正比，方向與振動(dòng)方向相反 ，如下 : ? ? dtdUjXRdtdUrkkrjrkrRFrrrbbbbr????????????????r22222211k (25) 式中 mmb HR ???r2? ， m??和m 分別是耦合液體的密度和聲速， rXRr和 分別是輻射阻和輻射抗。 dtdURF rmf ?? （ 26） 其中， mR 與液體粘滯系數(shù)成正比 。 薄圓環(huán)換能器聲輻射面積 HA br2?? ,則它所受外力： ? ? dtdUjXRRFFF rrmf ?????? rr （ 27） 由于薄圓環(huán)換能器的軸對稱性， 質(zhì)點(diǎn)位移和伸縮變量的關(guān)系為： brUrS ?1 （ 28） 由于薄圓環(huán)換能器高度 brH? ，則可以忽略軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)之間的耦合，且軸向應(yīng)力 2T =0，所以，薄圓環(huán)換能器的振動(dòng)可以簡 化為一維沿徑向的自由度振動(dòng)。即： 9 ES EST1133111 d?? （ 29） 把（ 29）代入（ 25）得： 311 3111122 22 ES dHlSS Hldt Udm EtE tr ?? ??? (210) 所以把（ 27）、（ 28）代入（ 210）得： ? ? 311311122 22 ES dHlUrS HldtdUjXRRdt Udm EtrbE trrmrr ?? ????? (211) 求解壓電換能器發(fā)出的聲場對壓電換能器的反作用 求解出換 能器做簡諧振動(dòng)時(shí)，耦合液體對換能器的反作用然后將換能器等效成一個(gè)等效網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)換能器加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，相當(dāng)于給機(jī)電網(wǎng)絡(luò)的電端輸入一個(gè)信號，這時(shí)，換能器振動(dòng)時(shí)，耦合液體對換能器的 反作用就是通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)反映出來。 當(dāng)假設(shè)質(zhì)點(diǎn)做簡諧振動(dòng)，則質(zhì)點(diǎn)位移 tjeUU ?0r ? （ 0U 為初始位移 ），則（ 211）式可寫為： ? ?mmrrErCRRjXmSdU 1Hl221131t????????? ??????? （ 212） 式中HlSrC tEb?2 11m ? 由（ 23）、（ 24）相消 1T ，得： ? ?32313311313 1d EKUSD TrE ??? ? (213) 式中TESdK331131231 ?? 10 第三章 換能器電學(xué)網(wǎng)絡(luò)的分析與計(jì)算 薄圓環(huán)壓電換能器 的物理效應(yīng) 發(fā)射換能器：用于發(fā)射聲波的換能器或者發(fā)射探頭。 接收換能器：用于接收聲波的換能器或者接收探頭。 換能器的兩種物理效應(yīng)： ：有些多原子分子晶體發(fā)生 形變時(shí)，會(huì)在晶體表面產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱之為壓電效應(yīng)。 聲波接收器 聲場 —— → 電場 ：鐵磁材料的磁狀態(tài)改變時(shí)， 其 尺寸也發(fā)生相應(yīng)的改變，這種效應(yīng)稱之為磁致伸縮效應(yīng)。 聲波發(fā)射器 交變磁場（電信號） —— →聲場（機(jī)械振動(dòng)） 換能器機(jī)電等效圖分析 壓電換能器通過類似電學(xué)領(lǐng)域里的變壓器的電路工作，實(shí)現(xiàn)力學(xué)與電學(xué)的結(jié)合。如圖 31 所示，左邊部分的回路是抽象簡化的電學(xué)網(wǎng)絡(luò)，右邊部分的回路是換能器的力學(xué)網(wǎng)絡(luò)，它們通過中間的機(jī) 電轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)力學(xué)與電學(xué)之間彼此的轉(zhuǎn)換。 在力學(xué)網(wǎng)絡(luò)里的質(zhì)點(diǎn)位移 速度 v ，可以近似等效成電學(xué)網(wǎng)絡(luò)的電流 I ；質(zhì)量 m近似等效電感 L ；剛度系數(shù) c 可以類比電容 0C ；而力阻 mR 可以類比電阻 R ；摩擦力 F 則是類比成電壓降 U ；機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù) ? 類似變壓器的轉(zhuǎn)換電路線圈的匝數(shù) N。以下我們將分析和計(jì)算電學(xué)網(wǎng)絡(luò)的工作過程。 [2] 由于 薄圓環(huán)換能器 電極上的總電荷是 3r2 HDQ b?? ，流進(jìn)電極的瞬間電流是 Q 對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)， 由 (12)式和 (13)式可得 ： 圖 31 薄圓環(huán)換能器的機(jī)電等效電路圖 11 ? ?mrmr CjmmjRRVVCI??? 1j 20 ??????? （ 31） 式中 換能器的靜態(tài)電容tTbl krC )1(42313320 ?? ??， 換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)ESH11 31d2???，兩個(gè)極化表面間的電壓 trlEV? ， ?rr Xm ?稱之為輻射質(zhì)量。 如果 聲波換能器的激發(fā) 電路可用一個(gè)開路電壓 ??tU 和一個(gè)輸出電阻 0R 來表示，則薄球殼壓電換能器的等效電路如圖 31 所示。 在換能器的電端，瞬間電流是 : 20 d ???? tdVCI （ 32） 式中， dtrdU?? 為換能器的質(zhì)點(diǎn)位移速度， 所以換能器 兩極間的電壓為 ： ? ? IRUV ?? t （ 33） 在薄圓環(huán)換能器的力 端，由以前分析的 力學(xué)與電學(xué)的對應(yīng)關(guān)系，電壓可以由等效的電容、電阻和電感三部分的電壓構(gòu)成，可以得到 ： ? ? ? ? ?????? ?????? ? dtCRRdtdmVmrmr??? 1m1 （ 34） 對（ 34）式求導(dǎo)得： ? ? ? ? ?????? ??????mrmr CdtdRRdtdmV ???22m1dtd （ 35） 將 (32)式 、 (34)式 和（ 35） 代入 (33)式中，可得 ： ? ?? ????tdUdtcbdtdadt ????22d （ 36） 式中 001mrrRRa m m R C???? 0 0 01( ) ( ) ( )mrr r m rRRb m m R C m m C m m C???? ? ?? ? ? 001()rmc m m C C R? ? 12 00()rd m m C R?? ? 這是換能器 被 一個(gè) 電